零偏壓下近紅外集成單波長(zhǎng)波導(dǎo)光探測(cè)器

工作在零偏壓下的波導(dǎo)光探測(cè)器外電路簡(jiǎn)單，器件具有低功耗、易集成等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)零偏壓下的高速、高響應(yīng)度、具有波長(zhǎng)選擇性的波導(dǎo)光探測(cè)器具有重要意義和更廣闊的應(yīng)用前景。目前光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測(cè)器的單片集成器件還未得到充分的研究，這種單片集成器件對(duì)比于以往的波長(zhǎng)選擇型波導(dǎo)光探測(cè)集成器件，具有制備工藝簡(jiǎn)單、占地面積小、抗干擾能力強(qiáng)、易于大規(guī)模集成等突出優(yōu)點(diǎn)，更適合構(gòu)建智能光通信系統(tǒng)中高密集光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，聊城大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》期刊上發(fā)表了以“零偏壓下近紅外集成單波長(zhǎng)波導(dǎo)光探測(cè)器”為主題的文章。該文章第一作者為高松，通訊作者為?；劬旮苯淌冢饕獜氖?a target="_blank">光電信息器件與系統(tǒng)方面的研究工作。

本文將窄線寬、單波長(zhǎng)濾波器與邊入射波導(dǎo)光探測(cè)器進(jìn)行集成以同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波與光電轉(zhuǎn)換功能。

該器件由工作于零偏壓的高性能波導(dǎo)光探測(cè)器、InGaAsP材料錐形耦合器與光子晶體濾波器水平集成而成，集成后器件如圖1所示，其中錐形耦合器可以大大提高光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測(cè)器間的耦合效率。

圖1 集成單波長(zhǎng)波導(dǎo)光探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

器件設(shè)計(jì)及原理

零偏壓波導(dǎo)光探測(cè)器的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)光探測(cè)器與光子晶體濾波器、錐形耦合器的單片集成，采用高摻雜的InGaAsP（折射率為3.39）材料作為光波導(dǎo)層。設(shè)計(jì)的零偏壓波導(dǎo)探測(cè)器的有源區(qū)寬度為4 μm（W2），長(zhǎng)度為15 μm（L2），電極與有源區(qū)間隔為2 μm。具體參數(shù)如表1。

表1 波導(dǎo)光探測(cè)器外延參數(shù)

波導(dǎo)光探測(cè)器的吸收層采用高斯摻雜類(lèi)型可以增加吸收層的內(nèi)部電場(chǎng)，加快電子的漂移速度，從而提高波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)速度。重?fù)诫s的InGaAsP材料作為光波導(dǎo)層，InP材料作為N接觸層。匹配層可以使光信號(hào)更好的耦合至吸收層，收集層可以調(diào)節(jié)結(jié)電容，電子在其中作漂移運(yùn)動(dòng)，吸收層則進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。電子阻擋層用于阻擋光生電子從吸收層向P接觸層擴(kuò)散，P接觸層的作用是使半導(dǎo)體器件與金屬電極形成良好的歐姆接觸。

錐形耦合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

錐形耦合器的輸入端的寬度為W1，輸出端的寬度為W2，分別與光子晶體濾波器、波導(dǎo)光探測(cè)器的輸出、輸入端寬度保持一致。如圖2所示。

圖2 不同m值錐形耦合器俯視圖：（a）m=0.5 （b）m=2

光子晶體濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光子晶體濾波器是通過(guò)在厚度為1 μm的InGaAsP材料上刻蝕出空氣孔來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波功能。圖3（a）為具有線缺陷的光子晶體結(jié)構(gòu)，線缺陷波導(dǎo)將束縛光波在其中傳播，因此左端口（Port1）入射光波將在右端口（Port2）出射。在實(shí)際中常要求改變光路的方向以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，本文設(shè)計(jì)的光子晶體濾波器通過(guò)對(duì)入射光場(chǎng)的控制使得特定波長(zhǎng)的光波可以通過(guò)光子晶體且方向改變90°后進(jìn)入錐形耦合器。圖3（b）為具一個(gè)六邊形環(huán)形諧振腔的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中腔內(nèi)的空氣柱（白色圓柱）半徑為R，腔外的空氣孔半徑為r，晶格常數(shù)為a。滿足共振條件的光波將通過(guò)環(huán)形腔耦合至輸出端口Port3處，其它波長(zhǎng)的光波將無(wú)法通過(guò)光子晶體濾波器，從而實(shí)現(xiàn)濾波的功能。

圖3 解復(fù)用器結(jié)構(gòu)俯視圖：（a）線缺陷（b）環(huán)形缺陷

器件仿真結(jié)果及性能分析

零偏壓波導(dǎo)光探測(cè)器的性能分析

使用光束傳播法模擬了1.55 μm的光波在波導(dǎo)光探測(cè)器結(jié)構(gòu)中的傳播，如圖4所示。輸入光功率變?yōu)樵瓉?lái)的1/e時(shí)波導(dǎo)光探測(cè)器的吸收長(zhǎng)度為15 μm。采用時(shí)域有限差分法對(duì)波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)度進(jìn)行分析。

圖4 光在波導(dǎo)探測(cè)器中的傳播

同時(shí)，為了說(shuō)明吸收層采用高斯摻雜分布可以提高吸收層內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度，提高波導(dǎo)光探測(cè)器的響應(yīng)速度。這里將吸收層采用P型高斯摻雜，器件摻雜濃度分布如圖5（a）所示。仿真結(jié)果表明，零偏壓工作下（4×15） μm2波導(dǎo)光探測(cè)器UTC-WGPD和MUTC-WGPD的3 dB帶寬可分別達(dá)61 GHz和78 GHz，圖5（b）給出二者的頻率響應(yīng)關(guān)系。

顯然，在0 V工作條件下，MUTC-WGPD的帶寬大約是UTC-WGPD的1.27倍，帶寬得到了明顯的提升。圖5（c）為外置偏置電壓為0 V時(shí)UTC-WGPD和MUTC-WGPD的電場(chǎng)分布，可以看出高斯摻雜分布提高了吸收層的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而使光生載流子以更快的速度通過(guò)吸收層，即使在0 V工作條件下MUTC-WGPD也具有高速性能。

圖5 MUTC-WGPD和UTC-WGPD的對(duì)比圖（a）摻雜濃度分布圖（b）頻率響應(yīng)圖（c）電場(chǎng)分布圖

光子晶體濾波器與錐形耦合器的性能分析

本文設(shè)計(jì)光子晶體濾波器，以波長(zhǎng)為1.54 μm - 1.56 μm（TE基模）為輸入源、背景折射率為1，光子晶體濾波器晶格常數(shù)a = 0.42 μm，并且以完美匹配層作為吸收條件，進(jìn)行模擬計(jì)算，利用時(shí)域有限差分法研究了光子晶體濾波器的傳輸特性。圖6（a）顯示了輸出端口Port3處的透射譜與腔內(nèi)空氣柱半徑R的關(guān)系。當(dāng)R = 0.1347 μm時(shí)，光波波長(zhǎng)為1.54 μm、1.55 μm、1.56 μm的透射率分別為0.55%、91%、0.58%。Port3處不同模式的透射譜如圖6（b）所示，圖6（b）表明Port3處主要以波長(zhǎng)為1.55 μm TE基膜（mode2）模式波為輸出源，其中TE基模的透射率約為80%。。圖7（a）（b）為當(dāng)光源分別為1.55 μm、1.54 μm在光子晶體濾波器中的傳播路徑，同時(shí)證明了波長(zhǎng)為1.55 μm的光波可以到達(dá)光子晶體濾波器輸出端口Port3處，然而1.54 μm的光波則無(wú)法通過(guò)光子晶體濾波器。在環(huán)形缺陷的作用下，形成了以中心波長(zhǎng)為1.55 μm，總透射率高達(dá)91%，半高全寬為僅為1.6 nm，Q值為962.7的透射峰。

圖6 光子晶體濾波器透射譜圖：（a）不同R值（b）不同模式

圖7 不同波長(zhǎng)光場(chǎng)分布圖（a）波長(zhǎng)為1.55 μm（b）波長(zhǎng)為1.54 μm

波長(zhǎng)為1.55μm的光波經(jīng)錐形耦合器傳輸?shù)搅闫珘翰▽?dǎo)光探測(cè)器，本文采用時(shí)域有限差分法研究錐形耦合器的光學(xué)特性。圖8展示了不同m值時(shí)，錐形耦合器輸出端TE 基模的透射譜（只考慮TE基模的傳輸效率）。當(dāng)m為1.8時(shí)，錐形耦合器的傳輸效率約為90.5%，其光場(chǎng)分布如圖9所示。

圖8 不同m值錐形耦合器透射譜圖TE基模

圖9 m=1.8 時(shí)錐形耦合器光場(chǎng)分布圖

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的零偏壓下近紅外集成單波長(zhǎng)波導(dǎo)光探測(cè)器同時(shí)具有高速、高量子效率和窄的光譜響應(yīng)線寬。器件的響應(yīng)波長(zhǎng)為1550 nm，Q值為962.7，理論仿真該器件的響應(yīng)度為0.78 A/W，3 dB響應(yīng)帶寬為78 GHz@0 V。此研究方法不單單適用于單波長(zhǎng)下光子晶體濾波器與波導(dǎo)光探測(cè)器集成器件的研究，也適用設(shè)計(jì)具有多波長(zhǎng)處理功能的單片集成波導(dǎo)光探測(cè)器陣列器件。采用InGaAsP材料作為光波導(dǎo)層的外延層材料，一方面有利于與InP材料襯底的晶格匹配實(shí)現(xiàn)單片集成，另一方面通過(guò)變換InGaAsP材料組分可以對(duì)其光學(xué)折射率進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同波段的接收。多光路光子晶體可以作為多波長(zhǎng)解復(fù)用器，可應(yīng)用于彈性光網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器，與波導(dǎo)光探測(cè)器集成后形成彈性接收子系統(tǒng)，同時(shí)具有低的復(fù)雜度和高的可靠性。

審核編輯：劉清